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软件无线电技术的特点与应用

时间:2015-04-28 21:24 来源:网络 作者:网络 阅读:
通过近20年的发展,移动通信已成为通信领域最活跃、市场份额最高的产业,也成为国际上市场竞争最激烈的部分。但是,按着传统的思路的产品开发及生产方式,已表现出不少问题,譬如:产品是针对特定的标准中一个版本来开发和制造的。当新技术出现或版本升级或提供新业务时,只能开发新的专用芯片,制造新一代的设备。其结果不是限制了新技术和新业务的使用,就是给制造商、运营商带来更大的投资风险,给用户带来诸多不便。同时,由于各国的经济利益,全球标准的统一,又难以实现。标准的种类在不断增加。造成频率分配、管理更为困难,需要的频率资源增加,多频多模手持机制造困难,成本增加。

  面对此问题,国际上已经进行了大量的研究。大部分专家认为,"软件定义无线电"(Software Defined Radio ,简称SDR,软件无线电)将是一个解决全球无线通信需求的方案。它将成为未来无线通信设备设计的核心所在。

  一、软件无线电的概念

  所谓软件无线电(Software Defined Radio,简称SDR),就是采用数字信号处理技术,在可编程控制的通用硬件平台上,利用软件来定义实现无线电台的各部分功能:包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。

  其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的"数字/模拟"转换器,尽早地完成信号的数字化,从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。总之,软件无线电是一种基于数字信号处理(DSP)芯片,以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。

  它和TD-SCDMA的关系:TD-SCDMA由于其中包括智能天线(Smart Antenna)、同步CDMA(Synchronous CDMA)、软件无线电(Software)三项技术,且第一个字母都是S,因而被命名为" SCDMA ",这些都成为了TD-SCMA的技术基础。

二、软件无线电的关键技术

  软件无线电技术是软件化、计算密集型的操作形式。它与数字和模拟信号之间的转换、计算速度、运算量、存储量、数据处理方式等问题息息相关,这些技术决定着软件无线电技术的发展程度和进展速度。宽带/多频段天线、A/D/A转换器件、DSP(数字信号处理器)技术及实时操作系统是软件无线电的关键技术。

  1.宽带/多频段天线

  理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段,通常来说,由于内部阻抗不匹配,不同频段电台的天线是不能混用的。而软件无线电要在很宽的工作频率范围内实现无障碍通信,就必须有一种无论电台在哪一个波段都能与之匹配的天线,所以,实现软件无线电通信,必须有一副可通过各种频率信号而且线性性能好的宽带天线。   软件无线电台覆盖的频段为2MHz~2000MHz。就目前水平而言,研制一种全频段天线是不可能的。一般情况下,大多数系统只要覆盖不同频段的几个窗口,不必覆盖全部频段,故可采用组合式多频段天线的方案。即把2MHz~2000MHz频段分为2MHz~30MHz、30MHz~500MHz、500MHz~2000MHz三段。这不仅在技术上可行,而且基本不影响技术使用要求。

  2.A/D/A转换器件

  在软件无线电通信系统中,要达到尽可能多的以数字形式处理无线信号,必须把A/D转换尽可能地向天线端推移,这样就对A/D转换器的性能提出了更高的要求。为保证抽样后的信号保持原信号的信息,A/D转换要满足Nyquist抽样准则,而在实际应用中,为保证系统更好的性能,通常抽样率为带宽的2.5倍。软件无线电通信系统-般采用低分辨率的模/数转换器,但是由于其分辨率很低,所以信号处理的精度就会降低,增加转换器的精度成为一大热点。对于更高的转换带宽要求,可以用并行A/D转换的方法完成。

  3.DSP(数字信号处理器)技术

  它主要完成电台内部数据处理、调制解调和编码解码等工作。由于电台内部数据流量大。进行滤波、变频等处理运算次数多,必须采用高速、实时、并行的数字信号处理器模块或专用集成电路才能达到要求。要完成这么艰巨的任务,必须要求硬件处理速度不断增加,芯片容量扩大。同时要求算法进行针对处理器的优化和改进。这两个方面的不断提高将是数字信号处理技术发展的不懈动力。只有这样,才能实现电台内部软件的高速运行和多种功能的灵活切换和控制。

  在芯片速度条件限制下,对数字信号处理器的速度要求是非常高的,利用更高速度的DSP芯片组进行并行处理。各个芯片厂商正在努力提高芯片的处理速度,利用多种并行处理、流水线、专用硬件结构来提高芯片的数据处理能力。

  对于一些固定功能的模块如滤波器、下变频器等,可以用具有可编程能力的专用芯片来实现,而且这种芯片的速度要高于通用DSP芯片。 例如用FPGA(现场可编程门阵列)就可以同时满足速度和灵活性两方面的要求,支持软件无线电中的动态系统设置的功能。通常来说系统的分配方式是:计算密集型的部分在DSP内部完成。功能相对固定的部分,就由FPGA来完成。

  4.实时操作系统

  软件无线电实现的重要基础是处理器速度的提高,然而在一定的处理速度限制下,需要有效的实时应用处理软件和实时操作系统支持,才能充分发挥处理器的性能。与通用操作系统相比,实时操作系统对处理任务的时间调度控制更加明确,可以更有效地面向高速数字信号处理分配有限的处理资源。针对不同的通信体制的共同点,采用、开发高效而灵活的实时操作系统和实时应用软件。完成多种通信模式的软件实现,并且随着移动通信的继续发展,增加具有新的功能的系统模块,提供更先进的服务。

 三、软件无线电的优势

  使用SDR概念来设计和实现下一代的无线通信系统和设备,与传统的产品和设备相比较,具有明显的优势。它将使得从技术研究开发,到设备制造商、电信运营商,再到每个无线通信最终用户都受益。具体如下:

  1.为技术和产品的研究开发提供一个新概念和通用无线通信平台,大大降低了开发成本和周期

  对技术和产品的研究开发而言,传统的无线通信系统只对单一的标准进行产品开发,从标准相对稳定到设计和开发专用芯片,再到产品设计和实现是一个以年为单位的过程,开发周期长、开发成本高。上述情况导致在标准制定进程中,大多数新技术不能被应用,限制了新技术的发展和应用,导致商用产品和当时技术水平的巨大差异。SDR将提供一个新概念和通用无线通信平台,在此平台上,可能基于软件来实现新业务和使用新技术,大大降低了开发成本和周期,使产品能跟上技术发展的水平。未来的新业务将由用户来开发,只有使用SDR的概念,才可能让用户像使用PC一样,用SDR设备去开发所需的新业务。

  2.为设备制造商降低投资风险,提高经济效益

  对制造商来说,随着技术的进步,目前无线通信产品的生命周期越来越短,因此针对单一产品线的投资风险很大。基于SDR产品的生产将比传统产品原材料成本低,且产品寿命长,这就意味着投资风险低。同时,由于它简单化及标准化硬件使得产品容易生产。因此,制造商生产基于SDR技术的产品,可得到远大于生产传统产品的效益

  3.为运营商降低投资风险

  对运营商来说,移动通信网建设需要巨大投资,同时具有很大风险性。我国现今一方面由于市场需求,GSM网络迅速扩容,增加GPRS设备;另一方面又面临第三代移动通信即将到来的时期,制定一个成功的投资战略极为困难。在下阶段又将考虑在第三代移动通信的多种标准中如何选择,也有很大的投资风险。软件无线电从某种程度上就可降低这种风险。

  4.为最终用户提供了一个通用的终端设备平台

  从最终用户的角度看,基于SDR技术用户的设备,是为用户提供了一个通用的终端设备平台。它应当能支持多达5~8种国际上通用的标准,而且可以通过空间加载软件技术达到用户设备升级的目的。只有这样,用户才不需要关心他所在的地区和运营商的问题,从而实现真正意义的全世界漫游。用户也有可能获得他所希望得到的新业务。

 四、软件无线电技术的应用

  软件无线电技术广泛应用于无线电通信领域。具体如下:

  1.蜂窝移动通信系统

  在蜂窝移动通信系统中,基站和移动终端采用软件无线电结构,硬件简单,功能由软件定义。射频频段、信道访问模式及信道调制都可编程。在此系统中,软件无线电的发射与其它系统不同,它先划分可用的传输信道,探测传播路径,进行适合信道的调制,电子控制发射波束指向正确的方向,选择合适的功率,然后再发射。接收也同样如此,它能划分当前信道和相邻信道的能量分布,识别输入传输信号的模式,自适应抵消干扰,估计所需信号多径的动态特征,对多径的所需信号进行相干合并和自适应均衡,对信道调制进行栅格译码,然后通过FEC译码纠正剩余错误,尽可能降低误比特率。此外,软件无线电能通过许多软件工具增加增值业务。这些软件工具能帮助分析无线电环境,定义所需的增加内容,在无线环境下,测试由软件开发增值业务的样板,最后再通过软件或硬件开放该增值业务。

  2.智能天线

  智能天线最初用于雷达、声纳及军事通信领域,由于价格等因素,一直未能普及到其它通信领域。近年来,数字信号处理技术迅速发展,数字信号处理芯片的处理能力不断提高,芯片价格已可接受。同时,利用数字技术可在基带形成天线波束,取代了模拟电路,提高了天线系统的可靠性和灵活程度。在我国的TD-CDMA方案中,基站采用智能天线技术,利用数字信号处理技术识别用户信号到达方向,形成天线主波束。

  引入空分多址(SDMA)方式后,根据用户信号不同的空间传播方向,提供不同的空间信道。采用数字方法对阵元接收信号加权处理,形成无线波束,使主波束对准用户信号方向,干扰信号方向形成天线方向零缺陷或较低的功率增益,达到抑制干扰目的。

  使用智能无线的优势在于:(1)无线波束赋形的结果等效于提高天线的增益;(2)天线波束赋形后,可大大减少多径干扰;(3)信号到达方向(DOA)提供了用户终端的方位信息,用于实现用户定位;(4)用多个小功率放大器代替大功率放大器,降低了基站成本,提高了设备可靠性。

  3.多频多模手机

  在欧洲的ACTS FIRST项目中,将软件无线电技术应用于设计多频/多模(可兼容GSM、 DCS1800 、 WCDMA 及现有的大多数模拟体制)可编程手机。它可自动检测接收信号,接入不同的网络,而且能满足不同接续时间的要求。软件无线电技术可用不同软件实现不同无线电设备的各种功能,可任意改变信道接入方式或调制方式,利用不同软件即可适应不同标准,构成多模手机和多功能基站,具有高度的灵活性。

  它的出现,使通信的发展经历了由固定到移动,由模拟到数字,由硬件到软件的三次变革。软件无线电技术正越来越广泛应用于移动通信领域,在第二代移动通信系统向第三代移动通信系统过渡过程中,软件无线电技术将发挥重要作用。

  4.卫星通信

  在当今通信领域中,卫星通信是最重要的通信方式之一。但是,由于目前卫星通信系统设备种类繁多,设备管理和维护工作复杂,使得卫星通信系统更新换代周期长,不能很好地适应现代高科技的发展步伐。而软件无线电以其软件定义功能和开放式模块化结构的技术思想能很好地解决卫星通信系统存在的问题,因此,研究具有软件无线电特征的卫星通信系统是很有意义的。

  在卫星通信系统中,系统功能主要指多址方式、网络结构、组网协议和通信业务等;而设备功能指接口标准、调制解调方式、信道编码方式、信源编码方式、信息速率、复用方式等。软件无线电技术思想就是采用先进的技术手段,使得上述功能可以用软件来定义。通过友好的人机界面,人们可以在不改变硬件设备的情况下实时地改变通信系统的功能,从而使该系统能适应各种应用环境,因而具有很强的适用性和灵活性。

  考虑到卫星通信频带宽,信息速率高且变化范围大的特点,在目前的计算机技术水平上,如果设备功能全由软件来实现,由于软件的逐条运行指令的特点,即使采用多处理器来协同运算,也无法实现高信息速率下的实时处理,使其在卫星通信中的使用范围受到了限制。

  综合上面的分析,可采用下面的设计思想是在卫星通信系统中应用软件无线电思想的一种切实可行的方案。

  (1)设备进行模块化设计,各模块分别提供具有控制功能的软件接口。

  (2)在各模块的设计上采用软硬件结合方式,合理配置软硬件负载,尽量多设计智能化的硬件子模块(如数字上/下变频器、可编程数字滤波器等)和采用商品化的可编程专用芯片(如 Viterbi 译码器、DDS等),以减少软件负担。

 五、软件无线电技术的发展概况

  软件无线电在70年代后期被首次提出,当时模数转换器(ADC)由8085微处理器提供,电台工作于低频段(VLF)。载波频率越低,现代中频(IF)ADC技术的使用越切实可行,这的确是软件无线电的一大特点。

  有关军事技术于1992年被首次提出,美国国防远景规划局的易通话第一期发起者于1995年对软件无线电的军事应用进行更全面的介绍。易通话第二期项目促进了创立于1996年3月的模块化多功能信息传输系统(MMITS)论坛的发展。MMITS的全球参与者包括法国的阿尔卡特公司、瑞典的爱立信公司、日本的东京大学、英国的奥林奇个人通信公司、芬兰的诺基亚公司、德国的罗德施瓦茨公司、韩国的三星电子公司和德国的西门子公司等等。

  另外,欧洲共同体在欧洲先进通信(RACE)和先进通信技术与业务(ACTS)项目的研究开发中资助了软件无线电预先竞争项目。而亚洲的相关研究直到1998年4月在日本东京大学成立第一个亚洲专题组才广泛开展。

  经历一段时间后, MMITS论坛重新定义为SDR论坛,标志着软件无线电开放结构标准从侧重军用向侧重商用的转变。

  现阶段,软件无线电在通信系统中,特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热点。欧洲的先进的通信技术与业务计划中,有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统中的: FIRST(灵活的综合无线电系统和技术)计划将软件无线电技术应用到设计多频/多模可编程手机。这种手机可自动检测接收信号以接入不同的网络,且适应不同接续时间的要求; FRAMES(未来的无线宽带多址系统)计划的目标是定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案来满足UMTS要求,方法之一是采用软件无线电技术; SORT(软件无线电技术)计划是演示灵活的有效的软件可编程电台,它具有无线自适应接入功能,并符合UMTS的标准。

  美国也正在研究基于软件无线电技术的第三代移动通信系统的多频带多模式手机与基站,同时还注意到软件无线电技术与计算机技术的融合,为第三代移动通信系统提供良好的用户界面。

  我国对软件无线电技术也相当重视,我国提出的SCDMA是一种同步的直接扩频CDMA(码分多址)技术,它结合了智能天线、软件无线电及全质量话音压缩编码技术等通信新技术。另外,软件无线电技术在第三代移动通信中的应用是国家"863"计划的申请项目之一。

(责任编辑:admin)

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